Zasady i Teoria Automatyzacji

156

Trzy podstawowe elementy składowe automatyki: (1) źródło zasilania do wykonywania niektórych działań, (2) sterowanie sprzężeniem zwrotnym, oraz (3) programowanie maszyn. Prawie bez wyjątku system zautomatyzowany będzie wykazywał wszystkie te elementy.

Źródło zasilania

Zautomatyzowany system jest przeznaczony do wykonywania pewnych użytecznych działań, a to działanie wymaga siły. Dostępnych jest wiele źródeł energii, ale najczęściej używaną energią w dzisiejszych zautomatyzowanych systemach jest energia elektryczna. Energia elektryczna jest najbardziej uniwersalna, ponieważ może być łatwo wytwarzana z innych źródeł (np. z paliw kopalnych, hydroelektrycznych, słonecznych i jądrowych) i może być łatwo przekształcona w inne rodzaje energii (np. mechaniczną, hydrauliczną i pneumatyczną) w celu wykonania użytecznej pracy. Ponadto energia elektryczna może być przechowywana w wysokowydajnych akumulatorach o długiej żywotności.

Działania wykonywane przez systemy zautomatyzowane są na ogół dwojakiego rodzaju: (1) przetwarzanie oraz (2) przenoszenie i pozycjonowanie. W pierwszym przypadku energia jest wykorzystywana do wykonania pewnych operacji przetwarzania na pewnej jednostce. Proces ten może obejmować kształtowanie metalu, formowanie tworzyw sztucznych, przełączanie sygnałów elektrycznych w systemie komunikacyjnym lub przetwarzanie danych w skomputeryzowanym systemie informatycznym. Wszystkie te działania wiążą się z wykorzystaniem energii do przekształcenia danej jednostki (np. metalu, tworzywa sztucznego, sygnałów elektrycznych lub danych) z jednego stanu lub stanu w inny, bardziej wartościowy stan lub stan. Drugi rodzaj działań – przenoszenie i pozycjonowanie – jest najłatwiejszy do zaobserwowania w zautomatyzowanych systemach produkcyjnych przeznaczonych do wykonywania pracy na produkcie. W takich przypadkach produkt musi być na ogół przenoszony (przenoszony) z jednego miejsca do drugiego podczas serii etapów przetwarzania. W każdym miejscu przetwarzania na ogół wymagane jest dokładne pozycjonowanie produktu. W zautomatyzowanych systemach komunikacyjnych i informacyjnych terminy “transfer” i “pozycjonowanie” odnoszą się do przepływu danych (lub sygnałów elektrycznych) pomiędzy różnymi jednostkami przetwarzającymi oraz do dostarczania informacji do terminali wyjściowych (drukarki, wyświetlacze wideo itp.) w celu ich interpretacji i wykorzystania przez ludzi.

Kontrola informacji zwrotnych (Feedback Control)

Kontrole sprzężenia zwrotnego są szeroko stosowane w nowoczesnych zautomatyzowanych systemach. System kontroli sprzężenia zwrotnego składa się z pięciu podstawowych elementów: (1) wejście, (2) sterowanie procesem, (3) wyjście, (4) elementy detekcyjne, oraz (5) sterownik i urządzenia uruchamiające. Te pięć elementów składowych zilustrowano na rysunku 1. Termin “sterowanie sprzężeniem zwrotnym w pętli zamkniętej” jest często używany do opisu tego rodzaju systemu.

Wejście do systemu jest wartością referencyjną lub wartością zadaną dla wyjścia systemowego. Reprezentuje ona żądaną wartość operacyjną wyjścia. Na poprzednim przykładzie instalacji grzewczej, jako ilustrację, wejście to jest ustawieniem żądanej temperatury w pomieszczeniu. Sterowany proces to grzałka (np. piec). W innych systemach sprzężenia zwrotnego może to być proces produkcyjny, silniki rakietowe w wahadłowcu kosmicznym, silnik samochodowy w tempomacie lub dowolny inny proces, w którym stosowana jest moc. Wyjście jest zmienną procesu, która jest mierzona i porównywana z wejściem; w powyższym przykładzie jest to temperatura pokojowa.

Elementy detekcyjne są urządzeniami pomiarowymi stosowanymi w pętli sprzężenia zwrotnego do monitorowania wartości zmiennej wyjściowej. W przykładzie układu ogrzewania funkcja ta jest zazwyczaj realizowana za pomocą taśmy bimetalicznej. Urządzenie to składa się z dwóch pasków metalowych połączonych na całej długości. Obydwa metale mają różne współczynniki rozszerzalności cieplnej, dlatego przy podwyższonej temperaturze taśma wygina się bezpośrednio proporcjonalnie do zmiany temperatury. W związku z tym taśma bimetaliczna jest zdolna do pomiaru temperatury. Istnieje wiele różnych rodzajów czujników stosowanych w układach sterowania sprzężeniem zwrotnym w automatyce.

Zadaniem sterownika i urządzeń wykonawczych w układzie sprzężenia zwrotnego jest porównanie zmierzonej wartości wyjściowej z wartością wejścia referencyjnego i zmniejszenie różnicy między nimi. Ogólnie rzecz biorąc, sterownik i urządzenie wykonawcze układu są mechanizmami, za pomocą których dokonuje się zmian w procesie, aby wpłynąć na zmienną wyjściową. Mechanizmy te są zazwyczaj zaprojektowane specjalnie dla danego układu i składają się z urządzeń takich jak silniki, zawory, wyłączniki elektromagnetyczne, cylindry tłokowe, przekładnie, śruby napędowe, układy kół pasowych, napędy łańcuchowe oraz inne elementy mechaniczne i elektryczne. Wyłącznik połączony z listwą bimetaliczną termostatu jest regulatorem i urządzeniem uruchamiającym układ ogrzewania. Gdy wyjście (temperatura pomieszczenia) jest poniżej wartości zadanej, przełącznik włącza grzałkę. Gdy temperatura przekroczy wartość zadaną, ciepło jest wyłączane.

Programowanie maszyn

Zaprogramowane instrukcje określają zestaw czynności, które mają być wykonywane automatycznie przez system. Program określa, co powinien zrobić zautomatyzowany system i jak muszą działać jego poszczególne elementy, aby osiągnąć pożądany rezultat. Zawartość programu różni się znacznie w zależności od systemu. W stosunkowo prostych systemach, program składa się z ograniczonej liczby dobrze zdefiniowanych akcji, które są wykonywane w sposób ciągły i powtarzalny w odpowiedniej kolejności, bez odchylenia od jednego cyklu do następnego. W systemach bardziej złożonych liczba poleceń może być dość duża, a poziom szczegółowości w każdym poleceniu może być znacznie większy. W stosunkowo skomplikowanych systemach, program przewiduje zmianę sekwencji działań w odpowiedzi na zmiany w surowcach lub innych warunkach pracy.

Niektóre z zaprogramowanych poleceń mogą być wykonywane w prosty sposób w pętli otwartej – tzn. bez konieczności stosowania pętli zwrotnej w celu sprawdzenia, czy polecenie zostało wykonane prawidłowo. Na przykład, polecenie przerzucenia przełącznika elektrycznego może nie wymagać sprzężenia zwrotnego. Potrzeba kontroli sprzężenia zwrotnego w systemie zautomatyzowanym może pojawić się, gdy występują zmiany w surowcach wprowadzanych do procesu produkcyjnego, a system musi uwzględnić te zmiany, dokonując korekt w swoich kontrolowanych działaniach. Bez sprzężenia zwrotnego system nie byłby w stanie sprawować wystarczającej kontroli nad jakością produktu końcowego procesu.

Zaprogramowane polecenia mogą być zawarte na urządzeniach mechanicznych (np. mechanicznych krzywkach i łącznikach), taśmie papierowej perforowanej, taśmie magnetycznej, dyskach magnetycznych, pamięci komputerowej, lub na dowolnym innym nośniku, który został opracowany na przestrzeni lat dla poszczególnych zastosowań. Powszechne jest dzisiaj w urządzeniach zautomatyzowanych stosowanie technologii komputerowego przechowywania danych jako sposobu przechowywania zaprogramowanych poleceń i przekształcania ich w działania kontrolowane. Jedną z zalet pamięci masowej komputera jest to, że program może być łatwo zmieniany lub ulepszany. Zmiana programu, który znajduje się na mechanicznych krzywkach wymaga sporej pracy.

Maszyny programowalne są często zdolne do podejmowania decyzji podczas ich pracy. Zdolność do podejmowania decyzji jest zawarta w programie sterującym w postaci logicznych instrukcji, które regulują działanie takiego systemu w różnych okolicznościach. W jednym zestawie okoliczności system reaguje w jeden sposób; w różnych okolicznościach reaguje w inny sposób. Istnieje kilka powodów, dla których zautomatyzowany system posiada zdolność podejmowania decyzji, w tym (1) wykrywanie i odzyskiwanie błędów, (2) monitorowanie bezpieczeństwa, (3) interakcja z ludźmi oraz (4) optymalizacja procesów.

Wykrywanie i odzyskiwanie błędów dotyczy decyzji, które muszą być podejmowane przez system w odpowiedzi na niepożądane warunki eksploatacji. W trakcie eksploatacji każdego zautomatyzowanego systemu, podczas normalnego cyklu operacyjnego pojawiają się czasem usterki i błędy, w związku z czym należy podjąć pewne działania naprawcze w celu przywrócenia działania systemu. Typową reakcją na awarię systemu jest wezwanie pomocy ludzkiej. Istnieje rosnąca tendencja w automatyce i robotyce, aby umożliwić samemu systemowi wyczuć te usterki i w jakiś sposób je naprawić bez interwencji człowieka. Takie wykrywanie i korygowanie określa się mianem wykrywania i usuwania błędów, co wymaga zaprogramowania w systemie możliwości podejmowania decyzji.

Monitorowanie bezpieczeństwa jest szczególnym przypadkiem wykrywania i usuwania błędów, w którym nieprawidłowe działanie wiąże się z zagrożeniem bezpieczeństwa. Decyzje są wymagane, gdy zautomatyzowane czujniki systemu wykryją, że rozwinął się stan bezpieczeństwa, który mógłby być niebezpieczny dla sprzętu lub ludzi znajdujących się w pobliżu sprzętu. Celem systemu monitorowania bezpieczeństwa jest wykrycie zagrożenia i podjęcie najbardziej odpowiednich działań w celu jego usunięcia lub zmniejszenia. Może to polegać na zatrzymaniu pracy i ostrzeżeniu personelu konserwacyjnego o zaistniałym stanie albo na podjęciu bardziej złożonych działań w celu wyeliminowania problemu bezpieczeństwa.

Systemy zautomatyzowane są zazwyczaj zobowiązane do interakcji z ludźmi w pewien sposób. Na przykład bankomat musi otrzymywać instrukcje od klientów i podejmować odpowiednie działania. W niektórych systemach automatycznych możliwe jest otrzymywanie różnych instrukcji od ludzi, a możliwości podejmowania decyzji przez system muszą być dość zaawansowane, aby poradzić sobie z szeregiem możliwości.

Czwartym powodem podejmowania decyzji w systemie automatycznym jest optymalizacja procesu. Potrzeba optymalizacji występuje najczęściej w procesach, w których istnieje kryterium wydajności ekonomicznej, którego optymalizacja jest pożądana. Dla przykładu, minimalizacja kosztów jest zazwyczaj ważnym celem w produkcji. System zautomatyzowany może wykorzystywać sterowanie adaptacyjne do odbioru odpowiednich sygnałów z czujników i innych wejść oraz podejmować decyzje w celu doprowadzenia procesu do optymalnego stanu.